HCMUTE: Xử lý dữ liệu cho bài toán phân lớp ổn định hệ thống điện

Tài liệu nghiên cứu Hcmute xử lý dự liệu cho bài toán phân lớp ổn định hệ thống điện, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về kỹ thuật.

• Tác giả: Nguyễn Ngọc Âu
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Khoa Điện Điện Tử
• Đề tài: Giải Pháp Xử Lý Dữ Liệu Cho Phân Lớp Hệ Thống Điện
• Loại tài liệu: Báo cáo tổng kết đề tài KH&CN
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu
• 1.2. Tính cần thiết
• 1.3. Mục tiêu của đề tài
• 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Bố cục của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN
• 2.1. Ổn định động hệ thống điện
• 2.1.1. Các chế độ làm việc hệ thống
• 2.2. Các phương pháp phân tích đánh giá ổn định động hệ thống điện
• 2.2.1. Mô hình toán học hệ thống điện nhiều máy
• 2.2.2. Phương pháp tích phân số
• 2.2.3. Phương pháp diện tích
• 2.2.4. Phương pháp trực tiếp
• 2.2.5. Phương pháp mô phỏng theo miền thời gian

Tóm tắt

I. Xử lý dữ liệu hệ thống điện

Phần này tập trung vào xử lý dữ liệu hệ thống điện, một khía cạnh quan trọng trong phân tích ổn định hệ thống. Nghiên cứu đề cập đến việc xử lý dữ liệu lớn (dữ liệu lớn hệ thống điện) để cải thiện hiệu quả của mô hình phân loại. Việc khai phá dữ liệu hệ thống điện được nhấn mạnh, nhằm chọn lọc các biến có tính đại diện cao, giảm thiểu nhiễu và tăng độ chính xác của phân tích. Các kỹ thuật mô hình hóa dữ liệu hệ thống điện tiên tiến được xem xét để đảm bảo tính toàn vẹn và hiệu quả của quá trình xử lý. Quản lý hệ thống điện hiệu quả phụ thuộc vào việc xử lý dữ liệu chính xác và kịp thời. Tài liệu đề cập đến việc áp dụng các thuật toán hiện đại để xử lý và phân tích khối lượng dữ liệu khổng lồ từ hệ thống điện, nhằm mục đích giám sát hệ thống điện và dự báo hệ thống điện chính xác hơn. Đặc biệt, an toàn hệ thống điện được đảm bảo thông qua việc xử lý dữ liệu kịp thời và chính xác. Mục tiêu hướng đến là hiệu quả hệ thống điện cao hơn thông qua việc tối ưu hóa quá trình xử lý dữ liệu.

1.1 Thuật toán xử lý tín hiệu

Một phần quan trọng của việc xử lý dữ liệu hệ thống điện là áp dụng các thuật toán xử lý tín hiệu. Nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng thuật toán máy học để lọc nhiễu, loại bỏ dữ liệu nhiễu và trích xuất các đặc trưng quan trọng từ tín hiệu thô. Thuật toán phân tích dữ liệu được lựa chọn cẩn thận dựa trên đặc điểm của dữ liệu hệ thống điện. Các thuật toán máy học như mạng nơ-ron, máy hỗ trợ vectơ (SVM), và các kỹ thuật học sâu (deep learning) được xem xét để tối ưu hóa quá trình phân loại. Hiệu quả của các thuật toán được đánh giá dựa trên độ chính xác, thời gian xử lý và khả năng tổng quát hóa. Việc lựa chọn thuật toán phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo kết quả phân tích chính xác và đáng tin cậy. Nghiên cứu cũng đề cập đến việc xử lý tín hiệu hệ thống điện, một lĩnh vực quan trọng để đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu. Việc phân tích tín hiệu hệ thống điện được thực hiện để trích xuất thông tin hữu ích từ tín hiệu phức tạp, từ đó phục vụ quá trình phân loại và đánh giá hiệu quả.

1.2 Kỹ thuật chọn biến

Để nâng cao hiệu quả phân loại, việc chọn biến đóng vai trò then chốt. Nghiên cứu đề cập đến việc áp dụng giải thuật BPSO kết hợp với 1-NN (K-Nearest Neighbor với K=1) nhằm tìm kiếm tập hợp các biến đầu vào có tính đại diện cao nhất. Giải thuật BPSO là một kỹ thuật tối ưu hóa dựa trên bầy đàn giúp tìm kiếm không gian tìm kiếm một cách hiệu quả. Kỹ thuật 1-NN là một thuật toán phân loại đơn giản nhưng hiệu quả trong việc tìm kiếm điểm dữ liệu gần nhất. Kết hợp cả hai kỹ thuật này giúp giảm thiểu số lượng biến cần phân tích mà vẫn đảm bảo độ chính xác cao. Nghiên cứu cũng so sánh kết quả với các phương pháp xếp hạng truyền thống để chứng minh hiệu quả của phương pháp đề xuất. Thuật toán chọn biến là một phần quan trọng trong xử lý dữ liệu, đảm bảo mô hình phân loại hoạt động hiệu quả và chính xác. Nghiên cứu này cho thấy việc áp dụng phương pháp Wrapper trong việc chọn biến giúp tối ưu hóa quá trình phân tích.

II. Phân loại hệ thống điện

Phần này tập trung vào phân loại hệ thống điện, sử dụng dữ liệu đã được xử lý. Phân lớp hệ thống điện nhằm xác định trạng thái ổn định hay không ổn định của hệ thống. Các mô hình phân loại khác nhau được xem xét, bao gồm mạng nơ-ron nhân tạo (mạng nơ-ron nhân tạo) và K-NN. Mạng nơ-ron GRNN được sử dụng cụ thể trong nghiên cứu này. Hiệu quả của từng mô hình được đánh giá trên tập dữ liệu thực tế, cụ thể là hệ thống điện chuẩn IEEE 39-bus. Việc đánh giá hiệu quả hệ thống điện được thực hiện dựa trên độ chính xác của phân loại. Nghiên cứu cũng đề cập đến việc phân tích lỗi hệ thống điện, giúp xác định nguyên nhân gây ra sự cố và đưa ra giải pháp khắc phục.

2.1 Mô hình GRNN

Nghiên cứu ứng dụng mạng nơ-ron GRNN (Generalized Regression Neural Network) như một mô hình phân loại. GRNN là một loại mạng nơ-ron có khả năng ước lượng hàm hồi quy một cách hiệu quả. Trong ngữ cảnh này, GRNN được huấn luyện để phân loại trạng thái ổn định của hệ thống điện dựa trên các biến đầu vào đã được chọn lọc. Khả năng tổng quát hóa và độ chính xác của GRNN được đánh giá trên tập dữ liệu thử nghiệm. Việc so sánh GRNN với các mô hình khác như ANN (Artificial Neural Network) cũng được thực hiện để chứng minh tính ưu việt của mô hình được lựa chọn. Mô hình GRNN được chứng minh là phù hợp với bài toán phân loại hệ thống điện nhờ khả năng xử lý dữ liệu phi tuyến tính và độ chính xác cao. Nghiên cứu cũng đề cập đến việc tối ưu hóa cấu trúc của GRNN để đạt được hiệu quả cao nhất.

2.2 Ứng dụng thực tế

Nghiên cứu được áp dụng trên hệ thống điện chuẩn IEEE 39-bus, một mô hình phổ biến trong nghiên cứu hệ thống điện. Kết quả cho thấy việc áp dụng giải thuật BPSO&1-NN trong việc chọn biến đã giúp giảm số lượng biến đầu vào, từ đó giúp cải thiện hiệu quả của mô hình GRNN. Độ chính xác của phân loại hệ thống điện đạt được mức cao, chứng tỏ khả năng ứng dụng thực tế của phương pháp đề xuất. Nghiên cứu nhấn mạnh tính ứng dụng thực tiễn của phương pháp, giúp nâng cao hiệu quả quản lý hệ thống điện và đảm bảo an toàn hệ thống điện. Kết quả này có ý nghĩa quan trọng trong việc giám sát hệ thống điện, phát hiện sớm các sự cố và đưa ra giải pháp kịp thời. Việc áp dụng thành công lên hệ thống IEEE 39-bus cho thấy tiềm năng mở rộng cho các hệ thống điện lớn hơn và phức tạp hơn.

III. Kết luận và hướng phát triển

Nghiên cứu đã thành công trong việc đề xuất giải pháp xử lý dữ liệu cho phân lớp hệ thống điện. Việc kết hợp giải thuật BPSO và 1-NN trong việc chọn biến đã chứng minh hiệu quả trong việc giảm số lượng biến đầu vào mà vẫn đảm bảo độ chính xác cao của mô hình GRNN. Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng thực tiễn trong việc giám sát hệ thống điện, phát hiện và xử lý sự cố kịp thời. Nghiên cứu cũng mở ra hướng phát triển mới trong lĩnh vực nghiên cứu hệ thống điện tại HCMUTE, góp phần nâng cao chất lượng đào tạo và nghiên cứu khoa học của trường. Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng đối với sinh viên HCMUTE và giảng viên HCMUTE trong việc nghiên cứu và ứng dụng các kỹ thuật xử lý dữ liệu hiện đại vào lĩnh vực hệ thống điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu Chương 2. Ổn định hệ thống điện Chương 3. Các bộ phân lớp Chương 4. Giải thuật xử lý dữ liệu trong bài toán phân lớp ổn định HTĐ.

Xây dựng mô hình bộ phân lớp đánh giá ổn định HTĐ. Kết luận 4 Luan van T2020-26TĐ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN 2.1 Ổn định động hệ thống điện 2.1 Các chế độ làm việc hệ thống Các chế độ làm việc của hệ thống điện được chia làm 2 loại chính: chế độ xác lập và chế độ quá độ [10]. Chế độ xác lập: là chế độ trong đó các thông số của hệ thống không thay đổi hoặc thay đổi trong những khoảng thời gian tương đối ngắn, chỉ biến thiên nhỏ xung quanh các trị số định mức, là chế độ bình thường và lâu dài của hệ thống điện, còn được gọi là chế độ xác lập bình thường. Chế độ sau sự cố hệ thống được phục hồi và làm việc tạm thời cũng thuộc về chế độ xác lập, mà còn được gọi là chế độ xác lập sau sự cố.

Chế độ quá độ: là chế độ trung gian chuyển từ chế độ xác lập này sang chế độ xác lập khác. Chế độ quá độ thường diễn ra sau những sự cố hoặc thao tác đóng cắt các phần tử đang mang công suất mà thường được gọi là các kích động lớn. Chế độ quá độ được gọi là chế độ quá độ bình thường nếu nó tiến đến chế độ xác lập mới. Trong trường hợp này các thông số hệ thống bị biến thiên nhưng sau một thời gian lại trở về trị số gần định mức và tiếp theo ít thay đổi.

Ngược lại, có thể diễn ra chế độ quá độ với thông số hệ thống biến thiên mạnh, sau đó tăng trưởng vô hạn hoặc giảm đến 0. Chế độ quá độ đó được gọi là chế độ quá độ sự cố.2 Ổn định hệ thống điện Ổn định HTĐ đề cập đến khả năng của các máy phát điện dịch chuyển từ một trạng thái vận hành xác lập này đến trạng thái vận hành xác lập khác sau khi bị kích động mà không mất đồng bộ, có hai loại ổn định hệ thống điện : ổn định tĩnh và ổn định động [10], [11]. Ổn định tĩnh là khả năng của hệ thống sau những kích động nhỏ phục hồi được chế độ ban đầu hoặc rất gần với chế độ ban đầu. Ổn định động là khả năng của hệ thống sau những kích động lớn phục hồi được trạng thái vận hành cho phép ban đầu hoặc gần trạng thái vận hành cho phép ban đầu.

5 Luan van T2020-26TĐ Trong [12] ổn định hệ thống điện được phân loại theo IEEE/CIGRE gồm: ổn định góc rotor, ổn định tần số và ổn định điện áp. Phân loại ổn định hệ thống điện được trình bày như Hình 2. Ổn định động là ổn định góc rotor hay không ổn định góc rotor sau dao động lớn hay sự cố nghiêm trọng chẳng hạn như ngắn mạch ba pha. Ổn định hệ thống điện Ổn định góc rotor Ổn định tần số Ổn định điện áp Ổn định góc Ổn định Ổn định điện Ổn định điện rotor sự cố nhỏ quá độ áp sự cố nhỏ áp sự cố lớn Ngắn hạn Ngắn hạn Dài hạn Ngắn hạn Dài hạn Hình 2.1 Phân loại ổn định hệ thống điện theo IEEE/CIGRE 2.2 Các phương pháp phân tích đánh giá ổn định động hệ thống điện Phân tích ổn định động hệ thống điện là xem xét khả năng hệ thống điện chuyển sang làm việc ổn định ở trạng thái xác lập mới sau dao động lớn.

Ổn định quá độ do dao động lớn gây ra như sa thải máy phát, sa thải phụ tải, mở đường dây hoặc do sự cố ngắn mạch, nghiêm trọng nhất là ngắn mạch ba pha. Các dao động lớn gây ra mất cân bằng công suất cơ đầu vào và công suất điện ra của máy phát. Khi đó, làm cho rô-to các máy phát dao động với máy phát khác và gây phá vỡ ổn định hệ thống điện. Có nhiều phương pháp phân tích ổn định hệ thống điện.

Trong phần này trình bày bốn phương pháp áp dụng khảo sát ổn định động hệ thống điện: phương pháp tích phân số, phương pháp diện tích, phương pháp trực tiếp, và phương pháp mô phỏng theo miền thời gian.1 Mô hình toán học hệ thống điện nhiều máy Hành vi động của máy điện phát điện được mô tả theo phương trình vi phân sau [10]–[12]: d 2 i Mi  Pmi  Pei (2.3): d i Mi  Pmi  Pei (2.3) dt Trong đó: i là góc của rotor của máy phát thứ i; i: là tốc độ góc của rô-to mày phát thứ i; Pmi: công suất cơ của máy phát thứ i; Pei: công suất điện của máy phát thứ i; Mi: mô-men quán tính của máy phát thứ i.2 Phương pháp tích phân số Trong phần này giới thiệu hai phương pháp tích phân số là phương pháp Euler và Phương pháp Runge-Kutta [10]–[12].  Phương pháp Euler: Cho phương trình vi phân: dx/dt=f(x,t) Ở bước tích phân thứ n+1: xn+1 = xn+(dx/dt)n.4)  Phương pháp Runge-Kutta: Phương pháp Runge-Kutta bậc 4 sử dụng biểu thức phức tạp hơn: xn+1 = xn+1/6 (k1+ 2k2+2k3+ k4) (2.t; k2 = f(xn+ k1/2, tn+t/2) t; k3 = f(xn+ k2/2, tn+t/2) t; k4 = f(xn+ k3, tn+t/2) t 7 Luan van T2020-26TĐ Phương pháp tích phân số cho kết quả khá chính xác. Tuy nhiên, trong phương pháp tích phân số cần chú ý vấn đề sai số tích luỹ trong các bước giải. Kết quả nhận được từ phương pháp tích phân số sẽ là trị số các góc lệch (t) ở những thời điểm khác nhau.

Nếu kết quả tính toán đủ dài thì ở mọi thời điểm có (t) <1800 thì quá trình quá độ ổn định, nếu (t) 1800 thì quá trình quá độ không ổn định [8], [13], [14]. Cũng có thể bằng quan sát trực quan dạng đường cong (t) dao động tắt dần hay tăng trưởng vô hạn để kết luận đặc trưng ổn định của hệ thống [10]. Trạng thái ổn định của hệ thống điện đánh giá theo luật như sau: Nếu ij < 1800 thì ‘Ổn định’ (2.6) Nếu ij  180 thì ‘Không ổn định’ 0 2.3 Phương pháp diện tích Phương trình chuyển động rô-to của hệ thống điện đơn giản [10], [11]: d 2 Pm  Pe Pa   dt 2 TJ TJ (2.7) Pa là công suất tăng tốc.8) dt dt TJ dt  δ d d 2 d 2 dδ 2  ( )  (  Pa d )   (  Pa dδ)  C (2.9) dt dt dt TJ 0 dt TJ δ0 Với C là hằng số tích phân, C = 0 khi d/dt=0 và  = o, trong đó o là góc rô-to trước khi có nhiễu. Do đó điều kiện cần thiết để hệ ổn định là tồn tại một góc  sao cho: 2 δ (  Pa dδ)  0 TJ δ0 (2.10) 8 Luan van T2020-26TĐ Hệ thống sẽ ổn định nếu diện tích dưới Pa giảm tới không tại một giá trị nào đó của  (hay diện tích tăng tốc bằng diện tích hãm tốc) nghĩa là phần diện dương bằng diện tích âm.

Giới hạn của phương pháp: Đối với HTĐ lớn do có nhiều máy phát tương tác phức tạp trên hệ thống thì tiêu chuẩn diện tích sẽ không còn phù hợp.4 Phương pháp trực tiếp Phương pháp trực tiếp bỏ qua khâu giải hệ phương trình vi phân được trình bày trong tài liệu [12]. Đối với một HTĐ quan hệ giữa vector dòng điện và vector điện áp của máy phát được được mô tả phương trình sau: IG  YR EG (2.11) Trong đó: YR là ma trận tổng dẫn nút rút gọn; EG, IG lần lượt là vectơ điện áp và dòng điện của các máy phát. Với một hệ thống có n máy phát, công suất tác dụng cung cấp bởi máy phát thứ i được cho bởi: E  Ei i (2.12) Và tổng dẫn: yij  Gij  j.13) Với hệ thống n máy phát, công suất tác dụng được cung cấp bởi máy phát thứ i được cho bởi:  n  Pi  Re( Ei I i* )  Re Ei   yij * .E j  Bij sin(i   j )  Gij cos(i   j )  j 1 j i Vị trí tâm của quán tính góc (Centre of Inertia-COI) COI được xác định theo phường trình: 9 Luan van T2020-26TĐ 1 n  COI   H i i H T i 1 (2.15) Trong đó: HT là tổng các hằng số quán tính của tất cả các máy phát trong hệ thống, i là góc lệch roto của máy phát thứ i. Chuyển động của COI được xác định bởi: n 2 HT p(COI )  PCOI   ( P 'mi  Pei ) (2.16) i 1 Trong đó:   Pm  Ei 2 Gii Pmi n Pei    Cij sin(i   j )  Dij (i   j )   j i 1 j i (2.17) Ci j =E i E j Bij Di j =E i E j G ij Với: Pmi là công suất cơ của máy phát thứ i; 0 là tốc độ đồng bộ tính bằng rad/s; COI là sự thay đổi tốc độ của COI quanh tốc độ đồng bộ.

Sự chuyển động của máy phát thứ i theo COI có thể được biểu diễn như sau: i   i   COI (rad) (2.19)  0  0  Hàm năng lượng V biểu diễn tổng năng lượng quá độ của hệ thống sau khi xảy ra sự cố được xác định: 1 n   n V  2 i 1 J i i2   Pmi i  is i 1 n 1  i  j  (2.20)      Cij cos ij  cos ij   Dij cos ij d  i   j   n s i 1 j i 1    is sj  Trong đó: is là góc ở nút thứ i tại điểm cân bằng ổn định và tại thời điểm sự cố; Ji = 2Hi0 là mômen quán tính của máy phát thứ i (đơn vị tương đối). Hàm năng lượng bao gồm 4 thành phần sau: 1 a) 2  J i i2 : biểu diễn sự biến đổi động năng rô-to của tất cả các máy phát trong hệ quy chiếu của COI. 10 Luan van T2020-26TĐ b)  Pmi  i   is : biểu diễn sự biến đổi thế năng rô-to của tất cả các máy phát trong cơ sở COI, c)  Cij cos ij  cos ijs : biểu diễn sự thay đổi năng lượng từ tích trữ trong tất cả các nhánh của hệ thống. d)   Dij cos ij d  i   j  : biểu diễn sự thay đổi của năng lượng tiêu tán trong tất cả các nhánh của hệ thống.

Thành phần trong mục (a) được gọi là động năng (Vke) và là hàm duy nhất theo tốc độ của các máy phát.